JP2008050603A - 複合発光材料およびこれを含む発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】２種以上の発光材料を融合して１つの構造に複合化することによって、発光材料を素子に適用する工程を単純化し、発光素子の特性を効率的に調節できる複合発光材料およびこれを含む発光素子を提供する。
【解決手段】無機蛍光体、半導体ナノ結晶および有機染料からなる群より選択される少なくとも２種の発光材料を含み、前記無機蛍光体、前記半導体ナノ結晶、および前記有機染料からなる群より選択される少なくとも１種が表面コーティングされていることを特徴とする、複合発光材料である。
【選択図】図３

Description

本発明は、複合発光材料およびこれを含む発光素子に関し、より詳細には、無機蛍光体、半導体ナノ結晶および有機染料のうちの２種以上の発光材料を含み、前記無機蛍光体、前記半導体ナノ結晶、および前記有機染料からなる群より選択される少なくとも１種が表面コーティングされていることを特徴とする複合発光材料およびこれを含む発光素子に関する。

発光材料は、刺激エネルギーによって発光する性質を有する物質で、光源装置、陰極線管、プラズマディスプレイまたは電界放出ディスプレイのような表示装置、およびバイオ標識（ｂｉｏ ｔａｇｇｉｎｇ）用の発光センサに幅広く用いられてきた。このような発光素子には、発光効率を極大化し、発光特性を安定的に維持できる発光材料を採用する必要がある。ディスプレイ向け発光材料の代表的なものに、無機蛍光体、有機染料、半導体ナノ結晶などがある。

中でも半導体ナノ結晶（「量子ドット」）は、半導体化合物をナノサイズの結晶に粉砕したもので、その半導体化合物のバルク励起子ボーア半径（ｂｕｌｋ ｅｘｃｉｔｏｎ Ｂｏｈｒ ｒａｄｉｕｓ）より小さい領域で量子閉じ込め（ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）効果を示し、このような量子閉じ込め効果によって半導体化合物のバンドギャップエネルギーが変化する。

発光材料の発光効率は、発光材料粒子の表面構造、組成、表面結晶性などの表面特性に左右される。半導体ナノ結晶は、そのサイズが非常に小さいため、比較的表面積が大きい。このため、半導体ナノ結晶の表面には欠陥（ｄｅｆｅｃｔ）が生じやすく、これらの欠陥がエネルギーバンドギャップ間に存在する様々なエネルギートラップとして働き、その結果として半導体ナノ結晶の発光効率が低下してしまう。さらに、このような現象は、半導体ナノ結晶を組み合わせる場合に、より深刻になる。

無機蛍光体の場合は、酸素および水分との接触により表面が酸化して発光特性が変化しやすい。また、電子が表面に蓄積すると帯電が起きて励起状態に遷移し難くなり、結果として発光効率が低下してしまう。

一方、発光体として用いられる有機染料の場合は、高いエネルギーを有する励起光に長時間露出されると物質自体の安定性が低下し、発光効率が急激に減少するという問題がある。

このように発光材料は、物質の特性、環境条件およびエネルギー励起状態などの影響を受けて発光特性が変化したり発光効率が低下したりするため、安定な有機または無機物質で発光材料の表面に保護膜を被覆するコーティング方法が利用されてきた。蛍光体粒子の表面への保護物質のコーティング方法には、ゾル−ゲル法、溶液中における静電気の原理に基づく吸着方法などの液状コーティング法などが含まれる（例えば、特許文献１〜７を参照）。

なお、特許文献８は、バンドギャップがより大きい半導体化合物で半導体ナノ結晶の表面をコーティングする方法を開示している。
米国特許第５，８５８，２７７号明細書 米国特許第６，４８６，５８９号明細書 米国特許第５，８５６，００９号明細書 米国特許第６，００１，４７７号明細書 米国特許第５，８８１，１５４号明細書 米国特許第６，０１３，９７９号明細書 大韓民国特許公開第２０００−８９９５号明細書 米国特許第６，８６１，１５５号明細書

しかしながら、発光材料の発光効率および寿命を向上させるために、表面をコーティングされた２種以上の発光材料を融合させることによって１つの構造に複合化した技術は未だ開示されていないのが現状である。

本発明は上記の従来技術の問題点を解決するためのもので、その目的は、２種以上の発光材料を融合して１つの構造に複合化することによって、発光材料を素子に適用する工程を単純化し、発光素子の特性を効率的に調節できる複合発光材料を提供することにある。

本発明の他の目的は、製造が容易で、再現性に優れており、優れた発光特性を安定的に維持できる発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、無機蛍光体、半導体ナノ結晶および有機染料からなる群より選択される少なくとも２種の発光材料を含み、前記無機蛍光体、前記半導体ナノ結晶、および前記有機染料からなる群より選択される少なくとも１種が表面コーティングされていることを特徴とする、複合発光材料を提供する。

また、本発明は、前記の複合発光材料を含む発光素子を提供する。

本発明の複合発光材料は、電子の帯電、環境的要因または表面欠陥などにより生じる無機蛍光体、半導体ナノ結晶、および有機染料の発光効率の低下が防止されるため、本発明の複合発光材料は、発光効率に優れているだけでなく、発光特性を安定的に維持することができる。また、本発明によれば、それぞれの発光材料の発光波長と吸収波長を適宜組み合わせることによってエネルギー移動現象を極大化できるため、各発光材料を別々に使用する場合に比べて発光効率を著しく向上させることが可能になる。

なお、本発明の複合発光材料は、２種以上の発光材料を融合して一つの構造に複合化することによって、各発光特性を示す材料をそれぞれ素子に適用する方法に比べて工程を減少させることができ、それぞれの発光材料を単純混合する場合とは異なって、エネルギー移動を効率的に実現でき、これにより製造される発光素子の特性を効率的に調節可能である。したがって、本発明の複合発光材料は、高効率および長寿命の発光材料を必要とする発光ダイオードなどの蛍光体として有利に使用されうる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明についてより詳細に説明する。

本発明の典型的な実施形態において、本発明の複合発光材料は、無機蛍光体、半導体ナノ結晶および有機染料からなる群より選択される少なくとも２種の発光材料を含み、前記無機蛍光体、前記半導体ナノ結晶、および前記有機染料からなる群より選択される少なくとも１種が表面コーティングされていることを特徴とする。

無機蛍光体は、合成後の安全性を確保するために、表面を金属酸化物などの透明な材料でコーティングされうる。有機染料は、励起光源に暴露されることによる寿命の減少の問題を克服するために、金属酸化物などの透明な材料に封入された複合体の形態で使用されうる。さらに、半導体ナノ結晶は、環境変化による表面欠陥の形成を防ぐために、金属酸化物でコーティングされうる。

本発明では、無機蛍光体、半導体ナノ結晶、および有機染料がそれぞれの長所短所を補完し合うように併用される。例えば、有機染料は、発光効率に最も優れるという長所があるが、安定性の低下という短所を有しており、半導体ナノ結晶または無機蛍光体と一緒に使用すると、発光効率に優れ、かつ、寿命特性が良い発光材料が得られる。さらに、近い距離で効率的に起きるエネルギー移動現象を用いて色変換を効率的に調節できる。

本発明の典型的な実施形態によれば、本発明の複合発光材料は、透明金属酸化物マトリクス内に、有機染料と半導体ナノ結晶とを含むことが好ましい（後述の表１の実施形態２に相当する）。このような構造では、発光体物質として用いられる半導体ナノ結晶と有機染料とが金属酸化物によってコーティングされるので、表面の欠陥が生成されたり環境による発光効率が低下したりすることなく発光特性を安定的に維持することができる。

本発明の複合発光材料は、心材（ｃｏｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）と透明コーティング層とを含む構造を有することが好ましい。この場合、心材は、無機蛍光体または半導体ナノ結晶とし、この心材の外側に形成される透明コーティング層は、マトリクス内に半導体ナノ結晶もしくは有機染料のいずれか一つまたはその両方を含むことが好ましい。このとき、透明コーティング層に含まれる半導体ナノ結晶は、それ自体がさらにコーティングされても良い。前記マトリクスは、可視光線を透過させうるような透明な金属酸化物または有機高分子から形成されることが好ましい。

本発明の複合発光材料の心材および透明コーティング層は、様々な構成で具現化されうる。例えば、心材が半導体ナノ結晶である場合、心材である半導体ナノ結晶の表面にコーティングされる透明コーティング層は、有機染料を含む金属酸化物から構成されることが好ましい（後述の表１の実施形態１に相当する）。

本発明の他の実施形態によれば、心材が無機蛍光体である場合には、前記透明コーティング層は、マトリクス内に半導体ナノ結晶もしくは有機染料のいずれか一つまたはその両方を含むことが好ましい（後述の表１の実施形態４〜６に相当する）。また、本発明で使用される半導体ナノ結晶は、透明金属酸化物でコーティングされることが好ましい。したがって、例えば、前記透明コーティング層は、透明金属酸化物マトリクス内に、透明金属酸化物でコーティングされた半導体ナノ結晶を含むことが好ましい（後述の表１の実施形態７に相当する）。

一方、透明コーティング層中の半導体ナノ結晶は、それ自体が有機染料を含む透明金属酸化物でコーティングされることが好ましい。こうすると、複合発光材料は、無機蛍光体の表面に透明コーティング層が形成された構造を有し、透明コーティング層は、有機染料を含む透明金属酸化物でコーティングされた半導体ナノ結晶が透明金属酸化物マトリクス内に含まれて構成される（後述の表１の実施形態９に相当する）。また、透明コーティング層は、透明金属酸化物マトリクス内に、有機染料を含む透明金属酸化物でコーティングされた半導体ナノ結晶と有機染料との両方を含むことができる（後述の表１の実施形態１０に相当する）。前記透明コーティング層の厚さは、好ましくは１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

本発明の複合発光材料の様々な実施態様を、図１ないし図７に示す。

図１は、半導体ナノ結晶１１の表面を、有機染料を含む透明金属酸化物１２でコーティングした構造の複合発光材料を示す模式図である。図１に示すように、半導体ナノ結晶１１および有機染料は、半導体ナノ結晶１１の表面が有機染料を含む透明金属酸化物１２でコーティングされることで複合化され、したがって金属酸化物によってコーティングされることになる（後述の表１の実施形態２に相当する）。

図２は、有機染料を含む透明金属酸化物マトリクス２３中に半導体ナノ結晶２１を含む構造の複合発光材料を示す模式図である。このような構造の複合発光材料では、半導体ナノ結晶２１と有機染料とが透明金属酸化物によってコーティングされることになる（後述の表１の実施形態１に相当する）。

図３は、無機蛍光体３０の表面を、半導体ナノ結晶３１を含む透明コーティング層でコーティングされた構造の複合発光材料を示す模式図である。図３の発光材料は、無機蛍光体３０の表面に透明コーティング層が形成され、この透明コーティング層は、半導体ナノ結晶３１を含む透明金属酸化物マトリクスまたは有機高分子マトリクス３５で構成される（後述の表１の実施形態４に相当する）。このような複合発光材料は、金属酸化物の前駆体を酸、塩基などの触媒を用いて一部縮合反応を進行させたゾル状態にしたのち半導体ナノ結晶を混合し、これを無機蛍光体にコーティングすることによって製造できる。また、半導体ナノ結晶の表面を、金属酸化物の前駆体で改質したのち、縮合反応を進行させる過程で無機蛍光体を加えて無機蛍光体をコーティングしても良い。また、半導体ナノ結晶と有機高分子とが溶解した溶液を調製したのち、無機蛍光体を加えて無機蛍光体をコーティングしても良く、半導体ナノ結晶とモノマーやオリゴマーとを混合させた溶液に重合反応を促進する触媒を加え、重合反応を進行させる過程で無機蛍光体を添加することによって無機蛍光体をコーティングしても良い。

図４は、無機蛍光体４０の表面を、有機染料を含む透明金属酸化物４２でコーティングした構造の複合発光材料を示す模式図である。図４の複合発光材料においては、無機蛍光体４０の表面に形成されたコーティング層が、有機染料を含む透明金属酸化物４２から構成されうる（後述の表１の実施形態３に相当する）。

このように有機染料を使ってコーティング層を形成する場合には、濃度を定量した有機染料を、複合体物質の調製に使用される金属酸化物の前駆体とあらかじめ混合させ、通常の複合体物質の調製工程を実施することによって、有機染料とを含む透明金属酸化物を含む透明コーティング層を形成できる。例えば、シリカ複合体を調製する場合には、シリカ複合体の前駆体と有機染料とを単純に混合することによって、有機染料を金属酸化物などの透明な材料に封入し、複合体を作ることができる。

図５は、無機蛍光体５０の表面を、半導体ナノ結晶５１と有機染料とを含む透明コーティング層でコーティングした構造の複合発光材料を示す模式図である。図５の複合発光材料においては、無機蛍光体５０の表面に形成された透明コーティング層が、有機染料を含む透明金属酸化物マトリクス５３内に半導体ナノ結晶５１をも含む（後述の表１の実施形態６に相当する）。

このような実施形態による複合発光材料の調製において、半導体ナノ結晶および有機染料を透明金属酸化物の前駆体と混合することによって得られる混合物で無機蛍光体がコーティングされる。この場合には、別の重合工程を進行させるために、酸、塩基などの触媒を使用することが好ましい。金属酸化物の前駆体を、酸、塩基などの触媒を用いた部分的な縮合反応によりゾル状態にしたのち、これに半導体ナノ結晶と有機染料とを混合し、得られた混合物が無機蛍光体のコーティングに用いられる。この工程は、反応混合物を特定の温度下または特定の攪拌条件下に維持することを含む。

図６は、有機染料を含む透明金属酸化物６２でコーティングされた半導体ナノ結晶６１を含む透明コーティング層によって、無機蛍光体６０の表面をコーティングした構造を有する複合発光材料を示す模式図である。図６の複合発光材料においては、無機蛍光体６０を囲んで形成された透明コーティング層が、透明金属酸化物マトリクスまたは有機高分子マトリクス６５内に、表面コーティングされた半導体ナノ結晶６６を含む。ここで、表面コーティングされた半導体ナノ結晶６６は、半導体ナノ結晶６１の表面が、有機染料を含む透明金属酸化物６２でコーティングされたものである（後述の表１の実施形態９に相当する）。

図７は、透明金属酸化物７４でコーティングされた半導体ナノ結晶７１と有機染料とを含む透明コーティング層によって、無機蛍光体７０の表面をコーティングした構造の複合発光材料を示す模式図である。図７の複合発光材料は、無機蛍光体７０とその表面上に形成された透明コーティング層とを含み、該透明コーティング層は、有機染料を含む透明金属酸化物マトリクス７３内に、表面コーティングされた半導体ナノ結晶７６を含み、この表面コーティングされた半導体ナノ結晶７６は、半導体ナノ結晶７１の表面を透明金属酸化物７４でコーティングされた構造を有する（後述の表１の実施形態８に相当する）。

上記の様々な実施形態を含め、本発明の複合発光材料の実施形態をまとめて表１に示す。

本発明において、前記透明金属酸化物は、チタン酸化物、ニオブ酸化物、ハフニウム酸化物、インジウム酸化物、タングステン酸化物、スズ酸化物、亜鉛酸化物、およびチタン酸化合物からなる群より選択される少なくとも１種を使用することができるが、これらに制限されるわけではない。好ましい金属酸化物の例としては、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ、ＷＯ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｒＴｉＯ_３、ＩｎＴｉＯ_２などが挙げられる。

上記の実施形態において、無機蛍光体の表面に形成される透明コーティング層のマトリクスは、上述した金属酸化物のほかにも、モノマー、オリゴマーおよび高分子からなる群より選択される任意の材料を含んでもよい。

高分子を使用する場合には、溶媒に溶解させた高分子に半導体ナノ結晶または有機染料を混合させたものを無機蛍光体の表面にコーティングした後、溶媒を蒸発させて除去することによって複合発光材料を製造することができる。このときに使用可能な溶媒は特に制限されず、例えば、トルエン、クロロベンゼンなどの芳香族系溶媒、ｎ−ヘキサン、ｎ−オクタンなどのアルカン溶媒、メチレンクロリド、クロロホルムなどの非極性溶媒、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール系溶媒、または、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフランなどの極性溶媒などが挙げられる。

マトリクス材料にモノマーを使用する場合には、モノマー、触媒、架橋剤、開始剤等と半導体ナノ結晶または有機染料とを混合したのち、重合して得られる混合物を無機蛍光体の表面にコーティングする。この場合にも、反応混合物に触媒を加え、特定の反応温度および／または反応中の攪拌を維持することが好ましい。

モノマーまたはオリゴマーの場合には、例えば、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）モノマーと共に半導体ナノ結晶または有機染料を混合したのち重合反応によってポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を得ることができる。メチルメタクリレートモノマーの代わりにラウリルメタクリレート（ｌａｕｒｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ：ＬＭＡ）モノマーを使用すると、ポリラウリルメタクリレートが得られる。同様に、スチレンモノマーを用いて重合し、ポリスチレンとし、前記ポリスチレンをマトリクスの構成材料として用いても良い。

本発明で用いられる高分子は、ポリカーボネート、ポリビニルカルバゾール、ポリメチルメタクリレート、ポリラウリルメタクリレート、ポリスチレン、およびポリエチレンテレフタレートからなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましいが、これらに限定されるわけではない。

本発明において用いられる無機蛍光体は特に制限されず、得ようとする発光波長に応じて赤色発光体、緑色発光体、青色発光体、白色発光体、黄色発光体などを使用することができる。本発明で使用可能な無機蛍光体の例としては、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ_３：Ｅｕ、Ｙ（Ｖ，Ｐ）Ｏ_４：Ｅｕ、（Ｙ，Ｇｄ）Ｏ_３：Ｅｕ、Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ^３＋、Ｍｇ_４（Ｆ）ＧｅＯ_８：Ｍｎ、Ｙ_２Ｏ_３：Ｒｕ、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｋ_５Ｅｕ_２．５（ＷＯ_４）_６．２５：Ｓｍ_０．０８、ＹＢＯ_３ＳｒＳ：Ｅｕ^２＋、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ、Ｍｎ、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、（Ｚｎ，Ａ）_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ（Ａは、第２族元素）、ＭｇＡｌ_ｘＯ_ｙ：Ｍｎ（ｘ＝１〜１０の整数、ｙ＝１〜３０の整数）、ＬａＭｇＡｌ_ｚＯ_ｗ：Ｔｂ（ｚ＝１〜１４の整数、ｗ＝８〜４７の整数）、ＲｅＢＯ_３：Ｔｂ（Ｒｅは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、およびＧｄからなる群より選ばれる少なくとも１種の希土類元素である。）、ＺｎＳ：Ｃｕ：Ａｌ、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｒｕ、Ｔｂ（ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋）、および（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ_３：Ｔｂからなる群より選択される少なくとも１種が挙げられる。

本発明において用いられる半導体ナノ結晶は、ＩＩ−ＶＩ族化合物、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＩＶ−ＶＩ族化合物、ＩＶ族化合物およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種が好ましいが、必ずしもこれらに限定されるわけではない。また、半導体ナノ結晶は、コア−シェル構造を有していてもよく、合金形態のナノ結晶を有していてもよい。

ＩＩ−ＶＩ族化合物の例としては、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅなどの２元化合物、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＣｄＺｎＳ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＳ、ＨｇＺｎＳｅ、ＨｇＺｎＴｅなどの３元化合物、およびＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅなどの４元化合物から選択される少なくとも１種が挙げられるが、これらに制限されるわけではない。

ＩＩＩ−Ｖ族化合物の例としては、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂなどの２元化合物、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＳｂ、ＧａＰＡｓ、ＧａＰＳｂ、ＡｌＮＰ、ＡｌＮＡｓ、ＡｌＮＳｂ、ＡｌＰＡｓ、ＡｌＰＳｂ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＩｎＰＳｂなどの３元化合物、およびＧａＡｌＮＰ、ＧａＡｌＮＡｓ、ＧａＡｌＮＳｂ、ＧａＡｌＰＡｓ、ＧａＡｌＰＳｂ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰＳｂ、ＩｎＡｌＮＰ、ＩｎＡｌＮＡｓ、ＩｎＡｌＮＳｂ、ＩｎＡｌＰＡｓ、ＩｎＡｌＰＳｂなどの４元化合物から選択される少なくとも１種が挙げられるが、これらに制限されるわけではない。

ＩＶ−ＶＩ族化合物の例としては、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅなどの２元化合物、ＳｎＳｅＳ、ＳｎＳｅＴｅ、ＳｎＳＴｅ、ＰｂＳｅＳ、ＰｂＳｅＴｅ、ＰｂＳＴｅ、ＳｎＰｂＳ、ＳｎＰｂＳｅ、ＳｎＰｂＴｅなどの３元化合物、および、ＳｎＰｂＳＳｅ、ＳｎＰｂＳｅＴｅ、ＳｎＰｂＳＴｅなどの４元化合物から選択される少なくとも１種が挙げられるが、これらに制限されるわけではない。

ＩＶ族化合物の例としては、Ｓｉ、Ｇｅなどの単元素およびＳｉＣ、ＳｉＧｅなどの２元化合物から選択される少なくとも１種が挙げられるが、これらに制限されるわけではない。

本発明において用いられる有機染料は、有機蛍光染料と有機りん光染料との両方を使用することができ、さらに具体的には、有機金属錯体または有機染料物質を使用することができる。しかし、必ずしもこれらに制限されることはなく、発光特性を示す有機染料であればいずれも使用可能である。本発明で用いられる有機染料としては、例えば、Ｆｏｒｒｅｓｔ、Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｒ．ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、１９９９、７５（１）、ｐ４６で使用されたトリス（２−フェニルピリジン）イリジウム（Ｉｒ（ｐｐｙ）_３）等の有機金属錯体形態の有機染料、または、クマリン（ｃｏｕｍａｒｉｎ）、ローダミン（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ）、フェノキサゾン（ｐｈｅｎｏｘａｚｏｎｅ）、スチルベン（ｓｔｉｌｂｅｎｅ）、テルフェニル（ｔｅｒｐｈｅｎｙｌ）、クアテルフェニル（ｑｕａｒｔｅｒｐｈｅｎｙｌ）などの有機物質のみで構成された有機染料の少なくとも１種を使用することができる。

本発明の第２は、本発明の複合発光材料を含む発光素子である。例えば、本発明の複合発光材料は、電気発光素子の発光層形成に使用可能であり、その他にも発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子に適用可能である。特に、本発明の複合発光材料は、発光効率に優れており、かつ長寿命特性を示すので、紫外線および青色光源を有する発光ダイオードの蛍光体として使用可能であり、白色発光ダイオード（Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ）にも応用可能である。

発光ダイオードなどの発光素子は、環境調和的な材料で製造され、高寿命、高信頼性、高識別性、低消費電力、省スぺースなどの多くの長所を有するため、幅広い分野で活用されている。例えば、発光ダイオードは、自動車計器盤、車両用信号灯機、携帯電話のバックライト、デジタルカメラのバックライト、自動車の室内灯、屋外大型ディスプレイ、飛行機の調整室ディスプレイ、ＬＥＤ照明、ＬＥＤ看板などに用いられている。

本発明の発光素子の製造は特別な装置や方法を必要とせず、通常の発光材料を用いた発光ダイオードなどの発光素子の製造方法によって製造すれば良い。例えば、発光ダイオードは、リードフレームに配置された青色発光ダイオードチップの周囲を、無機蛍光体、半導体ナノ結晶または有機染料を分散させた透明マトリクスで取り囲み、透明マトリクス、電線およびリードフレームを封止樹脂で封止することで製造することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。ただし、下記の実施例は、本発明を単に説明するためのもので、本発明を制限するためのものではない。
（製造例１：半導体ナノ結晶の製造）
トリオクチルアミン（以下、「ＴＯＡ」と称す。）３２ｇ、オレイン酸１．８ｇ、および酸化カドミウム１．６ｍｍｏｌを、同時に還流コンデンサの設置された１２５ｍｌフラスコに入れ、反応温度を３００℃に調節しながら攪拌した。２Ｍセレン−トリオクチルホスフィン（Ｓｅ−ＴＯＰ）錯体溶液０．２ｍＬを反応混合物にすばやく加え、１分３０秒後に、６ｍＬのＴＯＡと混合した０．８ｍｍｏｌのオクチルチオール錯体溶液を徐々に加えた。４０分間の反応後に、別途合成したオレイン酸亜鉛錯体溶液１６ｍＬを徐々に加えた。

オレイン酸亜鉛錯体溶液は、酢酸亜鉛４ｍｍｏｌ、オレイン酸２．８ｇ、およびＴＯＡ １６ｇを還流コンデンサの設置された１２５ｍＬフラスコに入れ、反応温度を２００℃に調節しながら攪拌して合成した。合成されたオレイン酸亜鉛錯体溶液を、温度を１００℃以下に下げたのち、反応混合物に加えた。オレイン酸亜鉛錯体溶液の添加が完了した後、直ちに６ｍＬのＴＯＡと混合された６．４ｍｍｏｌのオクチルチオール錯体溶液を反応混合物に徐々に加えて約２時間反応させた。上記の手順により、まずＣｄＳｅナノ結晶が生成し、次いでその表面上にＣｄＳナノ結晶が成長し、最後にその表面上にＺｎＳが成長した。

反応終了後、反応混合物の温度を可能な限り急速に常温まで下げ、非溶媒であるエタノールを加えて遠心分離を実施した。分離された上澄み液を除去し、沈殿をトルエン中に分散させて直径８ｎｍの多層構造のナノ結晶ＣｄＳｅ／ＣｄＳ／ＺｎＳを合成した。

この製造例で合成された赤色発光半導体ナノ結晶の紫外線−可視光線（ＵＶ−ＶＩＳ）吸収スペクトルと紫外線で励起された光励起発光スペクトルを図８に示す。

（実施例１：複合発光材料の製造）
上記製造例１で合成された赤色発光半導体ナノ結晶１００ｍｇを遠心分離によって分離した後、エタノール中に５０質量％で存在する５−アミノ−１−ペンタノール２０５ｍｇを加えて均一に分散させるために約３０分間常温で攪拌した。攪拌した混合物にエタノールを約３００ｍｇ加えて再び常温で３０分間さらに攪拌し、半導体ナノ結晶が均一に分散されている溶液を得た。この溶液に、３−トリエトキシシリルプロピルイソシアネート１０ｍｇを添加し、続いて３−アミノプロピルトリメトキシシラン５０ｍｇを添加した。この溶液を常温で５分程度攪拌した後、緑色発光蛍光体（Ｓａｒｎｏｆｆ社製、ＴＧ−３５４０）０．２ｇを加え、常温で２時間攪拌した。攪拌した溶液に、トルエンとエタノールを１：１で混合した溶液を２０ｍｌ加え、遠心分離して沈殿を分離した。このようにして得られた沈殿を、１５０℃で熱処理して製造した複合発光材料の光励起発光スペクトルを図９に示し、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図１０に示す。図９から、本実施例で製造された複合発光材料は、無機蛍光体と半導体ナノ結晶の発光特性を同時に示すことが確認でき、図１０から、無機蛍光体の表面がシリカコーティング層で均一にコーティングされていることが確認できる。

（実施例２：複合発光材料の製造）
前記製造例１で合成された赤色発光半導体ナノ結晶１００ｍｇを遠心分離して得た後、１質量％でクロロホルム溶媒に分散させた。これとは別に、重量平均分子量が１５０００であるポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）０．０５ｇをクロロホルム２．５ｍＬに溶かし、１時間以上常温で十分に攪拌した。先に製造した半導体ナノ結晶溶液０．３ｍＬをＰＭＭＡ溶液に加え均一な組成となるように攪拌した。この混合物に緑色発光蛍光体（Ｓａｒｎｏｆｆ社製、ＴＧ−３５４０）０．２ｇを加えた後、常温で２時間攪拌した。攪拌した溶液をそのまま遠心分離して沈殿を分離した。このようにして得られた沈殿を、５０℃で熱処理して溶媒を蒸発させて製造した複合発光材料の光励起発光スペクトルを図１１に示し、ＳＥＭ写真を図１２に示す。

（比較例１）
製造例１で得た赤色発光半導体ナノ結晶１００ｍｇを遠心分離して得た後、１質量％でクロロホルム溶媒に分散させ、この溶液に緑色発光蛍光体（Ｓａｒｎｏｆｆ社製、ＴＧ−３５４０）０．２ｇを加えた後、常温で２時間攪拌し、そのまま遠心分離して無機蛍光体と半導体ナノ結晶との単純混合物を得た。この混合物の光励起発光スペクトルを図１１に示し、ＳＥＭ写真を図１３に示す。図１１を参照すると、本発明の実施例２の複合発光材料が、２種類の発光材料を単純に混合した比較例１の発光材料に比べて発光特性に優れていることが確認できる。

（実施例３：発光ダイオードの製造）
上記実施例１で製造した複合発光材料０．０２５ｇをエポキシ（ＳＪＣ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製、ＳＪ４５００ Ａ／Ｂ Ｍｉｘｔｕｒｅ）０．２ｍＬと均一に混合した後、その混合物約５０μＬを４６０ｎｍで青色発光する青色ＬＥＤチップ（Ｏｓｒａｍ Ｇｍｂｈ社製の市販品）上に、塗布した。そして、８０℃のオーブンに入れて一時間硬化させた。このようにして製造した発光ダイオードの発光スペクトルを、積分球が設置されたＩＳＰ７５ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｓｐｈｅｒｅ ａｄａｐｔｅｒ（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ社製）で測定したものを図１４に示す。この時の光変換効率（Ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＰＣＥ）は３５％であった。

（比較例２）
実施例１で製造した複合発光材料と比較するために、緑色発光蛍光体（Ｓａｒｎｏｆｆ社製、ＴＧ−３５４０）０．０２５ｇをエポキシ（ＳＪＣ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製、ＳＪ４５００ Ａ／Ｂ Ｍｉｘｔｕｒｅ）０．２ｍＬと均一に混合させて得たペースト約５０μＬをＬＥＤチップ（Ｏｓｒａｍ Ｇｍｂｈ社製の市販品）上に塗布し、１２０℃のオーブンに入れて一時間硬化させた。その上に１質量％に調製された製造例１で得た半導体ナノ結晶のクロロホルム溶液を約５０μＬ塗布したのちオーブンに入れ、溶媒を除去した。上記手順で得たＬＥＤの発光スペクトルを図１４に示す。この時のＰＣＥは２２％であった。

すなわち、本発明の複合発光材料を使用した場合、比較例のＬＥＤを製造する工程に比べて一段階の工程、すなわち、溶媒除去工程が省かれているにもかかわらず、比較例で製造したＬＥＤに比べて光変換効率がより高く、特に、赤色ナノ結晶の発光効率が無機緑色発光蛍光体に比べてより向上している。このことから、緑色発光体に吸収された光を赤色発光体に変換するエネルギー移動がより効率よく起きたことが確認できる。

（実施例４：発光ダイオードの製造例）
実施例２で製造した複合発光材料０．０２５ｇをエポキシ（ＳＪＣ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製、ＳＪ４５００ Ａ／Ｂ Ｍｉｘｔｕｒｅ）０．２ｍＬと均一に混合した後、その混合物約５０μＬを４６０ｎｍで青色発光する青色ＬＥＤチップ（Ｏｓｒａｍ Ｇｍｂｈ社製の市販品）上に、塗布した。続いて、８０℃のオーブンに入れて一時間硬化させた。このようにして製造された発光ダイオードの発光スペクトルを、積分球が設置されたＩＳＰ ７５ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｓｐｈｅｒｅ ａｄａｐｔｅｒ（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ社製）で測定したものを図１５に示す。この時、ＰＣＥは２０％であった。

（比較例３）
実施例２で製造した複合発光材料と比較するために、緑色発光蛍光体（Ｓａｒｎｏｆｆ社製、ＴＧ−３５４０）０．０２５ｇをエポキシ（ＳＪＣ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製、ＳＪ４５００ Ａ／Ｂ Ｍｉｘｔｕｒｅ）０．２ｍＬと均一に混合したペースト約５０μＬを、ＬＥＤチップ（Ｏｓｒａｍ Ｇｍｂｈ社製の市販品）上に塗布し、１２０℃のオーブンに入れて一時間硬化させた。さらにその上に１質量％に調製された製造例１で得た半導体ナノ結晶のクロロホルム溶液を約５０μＬ塗布したのちオーブンに入れ、溶媒を除去した。上記で得たＬＥＤを測定した発光スペクトルを図１５に示す。この時、ＰＣＥは１１％であった。

すなわち、本発明の複合発光材料を使用した場合、比較例でＬＥＤを製造する工程に比べて一段階の工程、すなわち、溶媒除去工程が省かれながらも、比較例で得たＬＥＤに比べて光変換効率が約２倍にもなることが確認された。これは、ＰＭＭＡ高分子が無機蛍光体と半導体ナノ結晶との表面を良好に保護することで、光変換効率が向上したと推測される。図１５のスペクトルを比較してみると、実施例４で製造した複合発光材料の場合、比較例３の場合に比べて光源に該当する青色波長がより大きく現れており、より少ない光源を吸収して同程度の強度の発光を示すことから発光効率がより高いことが確認できる。特に、赤色ナノ結晶の発光効率が無機緑色発光蛍光体に比べてより向上したことから、緑色発光体に吸収された光を赤色発光体に変換するエネルギー移動がより効率良く起きたことが確認できる。

以上、好適な具体例を挙げて本発明を説明してきたが、本発明は、本発明の保護範囲を逸脱しない範囲内で様々な変形を実施することができ、それらの様々な変形例も本発明の保護範囲に含まれることは明らかである。

半導体ナノ結晶の表面を、有機染料を含む透明金属酸化物でコーティングした構造を有する複合発光材料を示す模式図である。 透明金属酸化物マトリクスに有機染料と半導体ナノ結晶とを含む構造を有する複合発光材料を示す模式図である。 無機蛍光体の表面を、半導体ナノ結晶を含むコーティング層でコーティングした構造を有する複合発光材料を示す模式図である。 無機蛍光体の表面を、有機染料を含む透明金属酸化物でコーティングした構造を有する複合発光材料を示す模式図である。 無機蛍光体の表面を、半導体ナノ結晶と有機染料とを含むコーティング層でコーティングした構造を有する複合発光材料を示す模式図である。 無機蛍光体の表面を、有機染料を含む透明金属酸化物でコーティングされた半導体ナノ結晶を含むコーティング層でコーティングした構造を有する複合発光材料を示す模式図である。 無機蛍光体の表面を、透明金属酸化物でコーティングされた半導体ナノ結晶と有機染料を含むコーティング層でコーティングした構造を有する複合発光材料を示す模式図である。 製造例１で合成された赤色発光半導体ナノ結晶の紫外線−可視光線（ＵＶ−ＶＩＳ）吸収スペクトルおよび紫外線で励起された光励起発光スペクトルである。 実施例１で製造された複合発光材料の光励起発光スペクトルである。 実施例１で製造された複合発光材料のＳＥＭ写真である。 実施例２で製造された複合発光材料および比較例１で製造された発光材料２種の単純混合物の光励起発光スペクトルである。 実施例２で製造された複合発光材料のＳＥＭ写真である。 比較例１で製造された発光材料２種の単純混合物のＳＥＭ写真である。 実施例３で製造された複合発光材料および比較例２で製造された発光材料２種の単純混合物の光励起発光スペクトルである。 実施例４で製造された複合発光材料および比較例３で製造された発光材料２種の単純混合物の光励起発光スペクトルである。

符号の説明

１１、２１、３１、５１、６１、７１ 半導体ナノ結晶、
１２、４２、６２ 有機染料を含む透明金属酸化物、
２３、５３、７３ 有機染料を含む透明金属酸化物マトリクス、
３０、４０、５０、６０、７０ 無機蛍光体、
３５、６５ 透明金属酸化物マトリクスまたは有機高分子マトリクス、
６６、７６ 表面コーティングされた半導体ナノ結晶、
７４ 透明金属酸化物。

Claims (23)

1. 無機蛍光体、半導体ナノ結晶および有機染料からなる群より選択される少なくとも２種の発光材料を含み、前記無機蛍光体、前記半導体ナノ結晶、および前記有機染料からなる群より選択される少なくとも１種が表面コーティングされていることを特徴とする、複合発光材料。
2. 前記複合発光材料が、透明金属酸化物マトリクス内に有機染料と半導体ナノ結晶とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の複合発光材料。
3. 前記複合発光材料が、心材と透明コーティング層とを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の複合発光材料。
4. 前記心材が、無機蛍光体または半導体ナノ結晶であることを特徴とする、請求項３に記載の複合発光材料。
5. 前記透明コーティング層が、マトリクス内に半導体ナノ結晶および有機染料のうちのいずれか一つまたはその両方を含むことを特徴とする、請求項３または４に記載の複合発光材料。
6. 前記マトリクスは、透明金属酸化物または有機高分子から形成されることを特徴とする、請求項５に記載の複合発光材料。
7. 前記透明コーティング層は、前記マトリクス内に半導体ナノ結晶を含むことを特徴とする、請求項６に記載の複合発光材料。
8. 前記透明コーティング層は、前記マトリクス内に有機染料を含むことを特徴とする、請求項６または７に記載の複合発光材料。
9. 前記透明コーティング層は、前記マトリクス内に有機染料と半導体ナノ結晶を含むことを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の複合発光材料。
10. 前記半導体ナノ結晶は、透明金属酸化物でコーティングされたものであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の複合発光材料。
11. 前記透明コーティング層は、前記マトリクス内に、透明金属酸化物でコーティングされた半導体ナノ結晶を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の複合発光材料。
12. 前記半導体ナノ結晶は、有機染料を含む透明金属酸化物でコーティングされたものであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の複合発光材料。
13. 前記透明コーティング層は、前記マトリクス内に、有機染料を含む透明金属酸化物でコーティングされた半導体ナノ結晶を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の複合発光材料。
14. 前記透明コーティング層は、前記マトリクス内に、有機染料を含む透明金属酸化物でコーティングされた半導体ナノ結晶と有機染料とを含むことを特徴とする、請求項１２または１３に記載の複合発光材料。
15. 前記透明コーティング層は、有機染料を含む前記マトリクス内に、透明金属酸化物でコーティングされた半導体ナノ結晶を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の複合発光材料。
16. 前記透明金属酸化物は、チタン酸化物、ニオブ酸化物、ハフニウム酸化物、インジウム酸化物、タングステン酸化物、スズ酸化物、亜鉛酸化物、およびチタン酸化合物からなる群より選択される少なくとも１種であることを特徴とする、請求項２〜１５のいずれか１項に記載の複合発光材料。
17. 前記高分子材料は、ポリカーボネート、ポリビニルカルバゾール、ポリメチルメタクリレート、ポリラウリルメタクリレート、ポリスチレン、およびポリエチレンテレフタレートからなる群より選択される少なくとも１種であることを特徴とする、請求項６に記載の複合発光材料。
18. 前記半導体ナノ結晶は、ＩＩ−ＶＩ族化合物、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＩＶ−ＶＩ族化合物、ＩＶ族化合物およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の複合発光材料。
19. 前記ＩＩ−ＶＩ族化合物は、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅの２元化合物；ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＣｄＺｎＳ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＳ、ＨｇＺｎＳｅ、ＨｇＺｎＴｅの３元化合物；および、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅの４元化合物からなる群より選択される少なくとも１種の物質であり、
    前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂの２元化合物；ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＳｂ、ＧａＰＡｓ、ＧａＰＳｂ、ＡｌＮＰ、ＡｌＮＡｓ、ＡｌＮＳｂ、ＡｌＰＡｓ、ＡｌＰＳｂ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＩｎＰＳｂの３元化合物；および、ＧａＡｌＮＰ、ＧａＡｌＮＡｓ、ＧａＡｌＮＳｂ、ＧａＡｌＰＡｓ、ＧａＡｌＰＳｂ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰＳｂ、ＩｎＡｌＮＰ、ＩｎＡｌＮＡｓ、ＩｎＡｌＮＳｂ、ＩｎＡｌＰＡｓ、ＩｎＡｌＰＳｂの４元化合物からなる群より選択される少なくとも１種の物質であり、
    前記ＩＶ−ＶＩ族化合物は、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅの２元化合物；ＳｎＳｅＳ、ＳｎＳｅＴｅ、ＳｎＳＴｅ、ＰｂＳｅＳ、ＰｂＳｅＴｅ、ＰｂＳＴｅ、ＳｎＰｂＳ、ＳｎＰｂＳｅ、ＳｎＰｂＴｅの３元化合物；および、ＳｎＰｂＳＳｅ、ＳｎＰｂＳｅＴｅ、ＳｎＰｂＳＴｅの４元化合物からなる群より選択される少なくとも１種の物質であり、
    前記ＩＶ族化合物は、ＳｉまたはＧｅの単元素およびＳｉＣまたはＳｉＧｅの２元化合物からなる群より選択される少なくとも１種の物質であることを特徴とする、請求項１８に記載の複合発光材料。
20. 前記有機染料は、有機金属錯体または有機染料物質であることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の複合発光材料。
21. 前記有機染料物質は、クマリン、ローダミン、フェノキサゾン、スチルベン、テルフェニル、およびクアテルフェニルからなる群より選択される少なくとも１種であることを特徴とする、請求項２０に記載の複合発光材料。
22. 請求項１〜２１のいずれか１項に記載の複合発光材料を含む、発光素子。
23. 前記発光素子は、発光ダイオードであることを特徴とする、請求項２２に記載の発光素子。